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物理学家创造出“负质量”:你推它,它反而扑向你

原标题:物理学家创造出“负质量”:你推它,它反而扑向你

近日,美国华盛顿州立大学 (WSU) 的物理学家创造出了具有负质量的超液体。当然,这并不意味着用秤称量这种物质时读数会显示负数,而是一种力学上的体现:推动这种物质时,它不会沿着力的方向加速,反而会迎着推力加速

这项研究发表于近期的《物理评论快报》上。领导这个实验的迈克尔·福布斯(Michael Forbs)是WSU物理与天文系的一位助理教授,他说:“这种现象很难在实验室产生,但它有着重大的意义,可以用来加深我们对宇宙的理解。”

福布斯教授表示,牛顿第二定律(F=ma)告诉我们,作用于物体上的力等于这个物体的质量与其加速度的乘积。通俗点说就是,如果我们去推一个正质量物体,它会被我们推着往前走。可对于一个具有负质量的物体来说,其加速度与受到的力反向,去推一个负质量物体时,我们会被它推着往回走。

我们可以开一下脑洞,负质量在生活中会有什么有趣的现象?

大街上跑的负质量汽车个个都挂着倒档向前飞驰;超市的顾客被负质量手推车拉着向前走;发射火箭也不再发愁燃料了,固定架打开的瞬间,负质量火箭就如轰炸机投下的一枚炸弹一样“坠入”深空。当然这些想象荒谬而遥远,这次发现的负质量还远远做不到这种程度。

物理学家的魔术表演

实际上这次的发现并不是一种新的物质,而是物理学家用一堆铷原子(它们具有正质量)来进行的一次魔术表演,严格地说,它甚至并不能被称作负质量物体,而是一种负质量现象或者负质量效应:在某一个特定状态下,在某一个特定的时空区域,突然间牛顿第二定律前面就需要加个负号了,就是这样。

实验过程是这样的。福布斯教授和他的团队用激光把10000个铷原子(87Rb)束缚在一个很小的区域里,然后再用另一束激光把它们冷却到接近绝对零度。此时这团铷原子进入了全新的状态:玻色-爱因斯坦凝聚BEC)。在玻色爱因斯坦凝聚态下,不会再有单独的原子存在,这10000个铷原子会融合在一起,成为一片混沌。

这块BEC被困在一个雪茄状的一维势阱中,福布斯用另外两束激光使铷原子产生自旋轨道耦合(spin-orbital coupling SOC),SOC BEC的能量色散曲线不再是通常的抛物线,而是在临近底部的地方有一个小突起,这个区域的曲率为负,对应着负的等效质量,扩散到这个区域的BEC就相应地有负质量了。

起初BEC被困在靠左边的最低能量上,福布斯撤掉了束缚后,这块BEC开始扩散,左边正常扩散,而右边的扩散进入了负质量区域(图a的灰色带),影响信号也显示,BEC的扩散明显受到了阻碍,像是被什么东西挡住了。

想像地上的一桶沙子,把桶壁撤走时沙子由于重力的因素会向四周扩散,当沙子在某一个方向上扩散到负质量区域时,它们不再向外扩散而是向内收敛,因为重力的作用在这个区域从吸引变成了排斥,此时的沙堆像被一堵墙堵住了一样。那10000个铷原子形成的BEC就像这堆扩散的沙子,在负重力的区域开始掉头向回走。

铷原子始终是原来的铷原子,货真价实,质量为正,所谓的负质量只不过是用精密仪器创造出的一个假象。其实,这个实验所创造的负质量是一种量子现象,很多量子现象是原子尺度的,对它们的观测非常困难,这个实验可以用照相机做宏观上的观察,还要得益于一种物理现象:玻色爱因斯坦凝聚。

玻色爱因斯坦凝聚

物理学家是一群酒鬼,他们经常去一家叫LASER的酒吧,并且总喜欢点一杯玻色-爱因斯坦凝聚。

玻色爱因斯坦凝聚是物质的一种特殊凝聚态,它是由全同玻色子在极低的温度下形成的。

世界上的所有原子都可以分为两类,费米子和玻色子。费米子遵循“费米-狄拉克统计”(Fermi-Dirac statistics)。这意味着全部费米子都要符合泡利不相容原理(Pauli’s exclusion principle),多个费米子无法处于同一个量子态。

通俗地说,多个费米子不能同一时间处于同一位置,还拥有相同的能量,这使得电子等物体难以穿过物体。相比之下,玻色子遵循“玻色-爱因斯坦统计”,即多个玻色子可以处于同一个位置,这使得像光子这样的粒子不会占据空间。

在被量子力学统治的微观世界,一个原子所具有的能量是离散的,它只能取各个能级的数值。

打个不恰当的比方,我们把原子能级比作一座100层的酒店大楼,每一层是一个能级,1楼是能量最低的基态,越往高能量越大。原子子便是入住的旅客,现在有一个20人的土壕旅行团要入住酒店,他们旅途劳顿,都想住最低层,但是土壕们又不愿意和别人住一个楼层,最后从第一层到第20层每层只住了一个客人。后来又来了一个20人的屌丝旅行团,这些人不介意与别人分享同一层,最后这20个人都住到了第一层。土壕客人就是费米子,屌丝客人就是玻色子。

1924年,30岁的印度物理老师玻色发表了今天称之为“玻色-爱因斯坦统计”的第一篇论文。次年,爱因斯坦完善和发展了这项工作,并大胆地提出了“凝聚”概念:符合“玻色-爱因斯坦统计”的全同玻色子,其温度降到临界温度以下时,宏观数量的原子将突然凝聚到动量为零的单一量子态上面,就如所有客人都搬到了酒店的一层,从而呈现出一个整体的量子态,这种状态被后人称为“玻色-爱因斯坦凝聚”。

然而,这个百年前提出的理论的实现却路途坎坷,经历了许多物理学家孜孜不倦的努力才得以实现。

1995年,科罗拉多大学的康奈尔(Cornell)教授和威曼( Wieman)教授通过激光冷却和蒸发冷却技术相结合的方法,将铷原子温度降到了170纳开尔文(nanokelvin),最终实现了玻色爱因斯坦凝聚。他们也因为这个成果分享了2001年的诺贝尔物理学奖。

玻色爱因斯坦凝聚有很多非常有趣的特性。比如它可以有异常高的光学密度差,光速在凝聚内的速度可以骤降到数米每秒。自转的凝聚可以作为黑洞的模型,入射的光会被“冻结”而难以逃离。此外,它还有很强的操控性,科学家可以通过改变激光强度和共振频率来改变原子的状态,进而获得所需的凝聚态性质。

更重要的是,它提供了一个从宏观角度研究微观量子现象的工具。很多量子效应只能在原子尺度上实现,我们缺乏合适的观测方法,而处于玻色爱因斯坦凝聚态下的原子有着统一的行为,原子尺度上的量子现象就可以被成千上万倍地放大,进而利用更方便的探测方式去研究其中的规律。这次的负质量实验本质上就是利用玻色爱因斯坦凝聚放大效应研究了一个微观量子现象。

在未来的探索中,玻色爱因斯坦凝聚还会展示出更多有趣的量子效应,也会帮助我们研究更加极端的环境。

福布斯表示:“我们对这个实验条件有着精美绝伦的控制,这个控制给了研究人员研究宇宙中神奇现象的新工具,他们可以用其模拟宇宙的极端环境,比如中子星,黑洞,暗能量。”

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参考:

Negative-MassHydrodynamics in a Spin-Orbit–Coupled Bose-Einstein Condensate. PhysRevLett.118.155301

https://phys.org/news/2017-04-physicists-negative-mass.html

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